Sähköjärjestelmissä luotettavuus ja turvallisuus arvostetaan korkealle ja tämän vuoksi redundanttisuus on nykyään erityisesti meriteollisuudessa enemmän sääntö kuin poikkeus (London: IMC A. 2015). Redundanttisuus on laajasti käytössä laivojen propulsiossa, mutta sitä on hyödynnetty jo aiemminkin muissa sovelluksissa, kuten nosturi- ja hissi-käytöissä.
2.1 Redundanttinen propulsiojärjestelmä
Laivan sähköinen propulsiojärjestelmä koostuu sähköntuotannosta, siirtokaapeleista, kis-kostoista, suojaus- ja kytkinkaapeista muuntajista, taajuusmuuttajista sekä moottoreista.
Redundanttisuus muodostuu järjestelmän rinnakkaisista komponenteista, jotka mahdol-listavat propulsion jatkumisen, vaikka vikatilanteessa yksi tai useampi komponentti me-netettäisiin. Laivojen propulsiojärjestelmien redundanttisuudella pyritään lisäämään sys-teemin luotettavuutta ja käytettävyyttä. Käytettävyyden lisääminen on kuitenkin tasapai-noilua redundanttisuuden ja järjestelmän yksinkertaisuuden välillä. Yksinkertainen jär-jestelmä sisältää vain vähän komponentteja ja on edullinen, mutta vikatilanteessa vaarana on propulsion menetys. Suurempi käytettävyys toisaalta tarkoittaa suurempaa redundant-tisuuta, jolloin järjestelmän monimutkaisuus ja arvokkaiden komponenttien määrä kasva-vat. Suuri määrä komponentteja tarkoittaa suurempaa todennäköisyyttä, että jokin yksit-täinen komponentti vikaantuu. (Kanerva & Hansen 2009)
Rinnakkaiset komponentit voivat olla passiivisia ja kytkettävissä mukaan propulsioon vi-katilanteessa, mutta ekologisempi ratkaisu on käyttää rinnakkaisia komponentteja aktii-visesti osana propulsiota (Kanerva & Hansen 2009; Reusser & Young 2016). Tätä ratkai-sua käytetään myös tässä työssä tutkittavassa moottorissa, jonka käämiryhmät sijaitsevat omissa urissaan ja osallistuvat tasapuolisesti tehon tuottoon. Kuvassa 5 on esitetty erään propulsiojärjestelmän periaatekuva ja sen keskeiset komponentit.
Kuva 5. Kiskosto, muuntajat, taajuusmuuttajat ja kaksikääminen propulsiomoottori (Kanerva & Hansen 2009).
Redundanttisen propulsiojärjestelmän perusvaatimuksena on 50 % propulsiotehon tuotto yksittäisen vian sattuessa, jotta taataan turvallinen ja luotettava kuljetus sekä ihmisille että materiaaleille (Reusser & Young 2016). Mahdollisia yksittäisiä vikoja propul-siomoottoriin ja sen ohjaukseen liittyen ovat esimerkiksi toisen käämiryhmän vika, taa-juusmuuttajan vikaantuminen sekä epäsymmetrinen syöttö käämiryhmien välillä.
Mikäli tähteen kytketyn kolmivaiheisen moottorin tai taajuusmuuttajan yksi vaihe kat-keaa, on jäljelle jääneiden vaihevirtojen ohjaaminen pyörivän magneettikentän luo-miseksi mahdotonta ilman tähtipisteen nollatasoa ja erillisiä DC-piirejä. Tilanne on sama kaksikäämimoottorissa, jossa on kaksi erillistä kolmivaiheista käämiryhmää, joilla on galvaanisesti erotetut tähtipisteet. Erillisiä käämejä ohjataan omilla taajuusmuuttajillaan, jolloin puhutaan käämien erillissäädöstä. Mikäli yksi tai useampi saman käämiryhmän vaiheista katkeaa, niin koko käämiryhmä pudotetaan pois käytöstä. Kaksikäämimoottori voi kuitenkin jatkaa toimintaansa yhdellä käämiryhmällä ilman muutoksia ohjauksen al-goritmeissa. (Levi, Bojoi, Toliyat & Williamson 2007). Tämä on yksinkertaisin tapa hal-lita monikertaisten kolmivaihemoottorien vikatilanteita ja täysin toimiva ratkaisu laivojen propulsiosovelluksissa.
Alberti ja Bianchi tutkivat kaksikäämimoottorin staattorikäämitysten asettelun vaikutuk-sia moottorin ilmavälin yliaaltoihin ja kuormitettavuuteen vikatilanteissa. Vikatilanteet olivat avoin käämiryhmä ja oikosuljettu käämiryhmä. Kuvassa 6 on esitetty vikatilan-teissa käytetyt asettelut yhdellä käämiryhmällä.
Kuva 6. Yhden käämin epäsymmetrinen asettelu (a) ja (b) sekä symmetrinen asettelu (c) vikatilanteissa. Muokattu lähteestä Alberti & Bianchi 2011.
Tutkimuksesta käy ilmi, että kuvan 6 asetteluiden (a) ja (b) magnetomotorisen voiman yliaaltosisältö on huomattavasti korkeampi kuin asettelun (c). Tämä johtuu käämien epä-symmetrisestä asettelusta staattorin urituksiin. Epäsymmetrisen asettelun vuoksi harmo-nisten komponenttien amplitudi on aikasidonnainen ja vaihevirrat ovat epäsymmetrisiä, jolloin syntyy vastakkaissuuntaan pyörivä magneettikenttä. Korkeat mmv-yliaallot ja epäsymmetriset komponentit kuvan 6 asetteluissa (a) ja (b) vähentävät moottorin kuor-mitettavuutta toisen käämiryhmän ollessa avoimena. Tässä vikatilanteessa paras kuormi-tettavuus ja hyötysuhde ovat symmetrisellä asettelulla (c), jota käytetään myös tämän työn protomoottorissa. (Alberti & Bianchi 2011.)
Symmetrisellä asettelulla käämien välinen magneettinen kytkeytyminen on kuitenkin suurta, koska molemmat käämiryhmät jakavat yhteisen magneettipiirin. Asetteluissa (a) ja (b) käämiryhmät sijaitsevat magneettipiirin eri osissa ja kytkeytyminen on heikompaa.
Vikatilanteessa, jossa toinen käämiryhmä on oikosuljettu, indusoituu vikaantuneeseen käämiryhmään jännite ja siten alkaa kulkea virta. Virta kasvaa myös vikaantumattomassa käämissä ja moottori lämpenee voimakkaasti. Asettelussa (c) käämiryhmien välinen kyt-keytyminen on voimakasta ja siten myös virrat suuria, joten moottori lämpenee nopeasti yli moottorin maksimilämpenemän eikä tätä asettelua voida käyttää toisen käämiryhmän ollessa kolmivaiheisessa oikosulussa. Asetteluissa (a) ja (b) magneettinen kytkeytyminen on heikompaa ja niillä voidaan tuottaa 50 %:n propulsioteho oikosulkutilanteessa moot-torin lämpenemän rajoissa. (Alberti & Bianchi 2011.)
2.2 Taajuusmuuttaja
Taajuusmuuttajalla muutetaan sisään tulevan vaihtojännitteen ja taajuuden suuruutta joko samanaikaisesti tai erikseen. Taajuusmuuttaja mahdollistaa moottorin mekaanisen tehon säätämisen tarkasti ja energiatehokkaasti. Välipiirilliset taajuusmuuttajat jaetaan virta- ja jännitevälipiirillisiin taajuusmuuttajiin sen perusteella varastoidaanko energia välipiirissä kuristimiin vai kondensaattoreihin. Välipiirillinen taajuusmuuttaja koostuu tasasuuntaa-jasta, välipiiristä ja vaihtosuuntaajasta. Kuvassa 7 on esitetty jännitevälipiirillisen taajuus-muuttajan päävirtapiirin rakenne ja komponentit.
Kuva 7. Taajuusmuuttajan päävirtapiirin rakenne ja komponentit.
Tasasuuntaaja suuntaa verkon vaihtojännitteen tasajännitteeksi puolijohdekomponenttien avulla. Tasasuuntaukseen on tyypillisesti käytetty tehodiodeja, jotka johtavat virtaa vain yhteen suuntaan. Tasasuuntaukseen voidaan käyttää myös tehotyristoreja, joilla voidaan tarvittaessa syöttää virtaa myös välipiiristä verkkoon päin tai säätää välipiirin jännitteen suuruutta. Välipiirissä energia varastoidaan kondensaattoreihin, joiden tehtävänä on ta-soittaa tasasuunnatun jännitteen muotoa. Vaihtosuuntauksessa välipiirin korkeampi ja matalampi potentiaali kytketään kuormalle vaihtosuuntaajan kytkinten avulla. komponentteina käytetään vaihtosuuntauksessa enimmäkseen IGB-transistoreja. Kytkin-ten ohjauksen periaatteena on, että vain toinen saman haaran kytkimistä johtaa kerrallaan.
Kytkinten ohjauksella vaikutetaan syntyvän jännitteen taajuuteen ja jänniteportaiden lu-kumäärään ja leveyteen. Kytkinten ohjaukseen käytetään tyypillisesti pulssinleveysmo-dulaatiota PWM (eng, pulse widith modulation) tai suoraa momenttisäätöä DTC (eng, direct torque control).
2.2.1 Redundanttisen syötön vaikutukset matalataajuisiin yliaaltoihin
Vaihtosuuntaajan syöttämän jännitteen harmoniset yliaaltokomponentit vaikuttavat mag-neettivuon muodostumiseen ja moottorin yliaaltoihin. Jännitteen harmoniset yliaallot muodostavat käämitykseen yliaaltovirtoja, joiden amplitudi riippuu käämin resistanssista ja yliaallon taajuutta vastaavasta yliaaltoreaktanssista. (Vesala 2010: 38.) Taajuusmuut-tajan kytkentätaajuuden ollessa useita tuhansia hertsejä syöttöjännite ei sisällä runsaasti järjestyslukua k = 6n ± 1, n = 1, 3, 5, jne. yliaaltoja, ja suurin syy kaksikäämimoottorin staattorivirran matalataajuisiin yliaaltoihin on koneen rakenne (Karttunen, Kallio, Pelto-niemi, Silventoinen, & Pyrhönen 2012). Rakenteesta johtuvia yliaaltoja rajoittaa vain suhteellisen pieni hajainduktanssi ja pienikin yliaaltojen lähde aiheuttaa staattorikäämei-hin suuria harmonisia virtoja kyseisille järjestysluvuille. Toisaalta nämä rakenteesta joh-tuvat yliaallot ovat suurempi ongelma kestomagneettimoottorissa kuin oikosulkumootto-rissa (Karttunen, Kallio, Peltoniemi, Silventoinen, & Pyrhönen 2012).
2.2.2 Redundanttisen syötön vaikutukset korkeataajuisiin yliaaltoihin
Redundanttinen syöttö voidaan toteuttaa yksinkertaisella erillissäädöllä, jossa taajuus-muuttajat syöttävät itsenäisesti omia käämiryhmiään. Erillissäädössä kaksikäämimoottori mallinnetaan kolmivaiheisen moottorin yhtälöillä, eikä siinä huomioida käämien keski-näistä kytkeytymistä. Moottoria ajetaan momenttiohjeella, jolloin molemmat taajuus-muuttajat saavat puolet kokonaismomenttiohjeesta. Syötettäessä kaksikäämimoottoria kahdella erillissäädetyllä taajuusmuuttajalla, yhden käämin mitattu virta sisältää käämiin syötetyn virran ja toisesta käämistä indusoituneen jännitteen aiheuttaman virran. Erillis-säädetyt taajuusmuuttajat eivät kykene erottamaan syötettyä virtaa indusoituneesta vir-rasta. Tämä johtaa siihen, että taajuusmuuttajat häiritsevät omilla ohjauksillaan toisiaan
ja syntyy korkeataajuisia yliaaltoja, jotka kiertävät keskinäisen hajainduktanssin kautta taajuusmuuttajien ohjaamien käämitysten välillä aiheuttaen ylimääräisiä rautahäviöitä.
Käyttämällä vektoriavaruushajotelmaa aliavaruuden (μ1, μ2) yliaaltoja voidaan suodattaa pois, syöttämällä moottoriin vastakkaisia saman taajuisia komponentteja (Zhao & Lipo 1995). Toinen tapa on käyttää virran estimointia erillissäädetyssä ohjauksessa, jossa taa-juusmuuttajat eivät näe toisesta käämityksestä indusoituneiden jännitteiden aiheuttamia virtoja.
2.2.3 Erillissäätö ja virtaestimaatti
Tässä työssä kaksikäämimoottorin ohjaukseen käytetään erillissäätöä, jossa taajuusmuut-tajat ohjaavat omia käämiryhmiään tavallisen kolmivaihemoottorin tavoin täysin itsenäi-sesti ilman keskinäistä tietojen vaihtoa. Kaksikäämimoottori mallinnetaan perinteisen kolmivaiheisen oikosulkumoottorin yhtälöillä, eikä käämiryhmien keskinäistä kytkeyty-mistä huomioida säädössä. Moottoria ohjataan momenttiohjeella, joka jaetaan puoliksi säätöjen kesken. Säädöt osallistuvat yhteisen vuon luomiseen, jolloin myös vuo-ohje on molemmille säädöille sama. Erillissäädetyt taajuusmuuttajat mahdollistavat tasaisen te-honjaon käämiryhmien kesken. (Karttunen, Kallio, Peltoniemi, Silventoinen, & Pyrhönen 2012.)
Erillissäätöä voidaan käyttää, kun moottorin vaihemäärä on kolmivaihejärjestelmän mo-nikerta. Erillissäätö on yksinkertainen, eikä vaadi ylimääräisiä komponentteja tavalliseen kolmivaiheiseen taajuusmuuttajakäyttöön verrattuna. Ohjaus on täysin redundanttinen lukuun ottamatta käämiryhmien keskinäistä kytkeytymistä ja toisen käämiryhmän tai taa-juusmuuttajan vikaantuessa toinen käämiryhmä voi jatkaa toimintaansa. (Karttunen, Kal-lio, Peltoniemi, Silventoinen, & Pyrhönen 2012.)
Erillissäädössä käämiryhmien sähkömagneettinen kytkeytyminen aiheuttaa ongelmia, mikäli säädöt käyttävät mitattua virtaa. Tämän vuoksi käytetään virtaestimaattia säädön toimivuuden parantamiseksi, jolloin säädöt eivät häiritse toisiaan ja siten erillissäätö ei aiheuta moottoriin ylimääräisiä yliaaltoja. Kuvassa 8 on esitettynä lohkokaaviot yhden
käämin erillissäädölle ja virtaestimaatille. Toisen käämin säädössä käytettävät lohkokaa-viot ovat täysin identtiset ja moottorin säätötapana käytetään suoraa momenttisäätöä.
Kuva 8. Erillissäädön ja virtaestimaatin lohkokaavio yhdelle käämille. Muokattu läh-teestä Heinonen 2018: 32–34.
Estimaatin periaatteena on kuormavirran laskeminen syöttöjännitteen ja moottorin induk-tanssien avulla. Lopullinen Virtaestimaatti (iest) muodostetaan mitatusta virrasta (i1) ja estimoidusta kuormavirrasta (i2est). Mitatusta virtasignaalista poistetaan heijastuksien ai-heuttamat yliaallot alipäästösuodatuksella ja mitatun virran tehtävänä on estää virtaesti-maatin ryömiminen. (Heinonen 2018: 33–34). Tässä työssä erillissäädön käyttämästä vir-rasta 90 % on estimoitua ja 10 % mitattua. Estimaatti ei vastaa täysin mitattua virtaa, mutta se vähentää käämiryhmien kytkeytymisestä säätöön aiheutuvia ongelmia.
Itsenäisten taajuusmuuttajien syöttöä on tutkittu käyttäen vektorisäätöä oikosulkumoot-torin ja kestomagneettimootoikosulkumoot-torin ohjaukseen (Singh, Nam & Lim 2005; Karttunen, Kal-lio, Peltoniemi, Silventoinen, & Pyrhönen 2012). Erillissäädön ongelmat painottuvat
vir-heeseen vuon estimoinnissa. Vuon estimoinnin virhe ei ole niin suuri ongelma kestomag-neettimoottorissa, jossa kestomagneetit magnetoivat moottorin. Oikosulkumoottorissa käämivirrat luovat moottorin vuon, joten virhe vuon estimoinnissa aiheuttaa virheen vir-taestimaattiin. Tämän vuoksi oikosulkumoottorin säätö on monimutkaisempi toteuttaa.
(Kostiainen 2018: 3)